深部巷道围岩控制

表2-1 不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C、 值
锚杆支护强度 t / MPa
等效内聚力 C / MPa
0 0.3466
0.06 0.3568
0.08 0.3626
0.11 0.3677
0.14 0.3828
0.17 0.3773
0.22
0.386 9
等效内摩擦角 31.51 / °
31.53
33.51
基本途径一
（4）巷道迎头超前钻孔的应力转移关键技术
1——巷道掘进头
2——应力转移钻孔
4
1 2
3
1—掘进巷道 3—钻孔前垂直应力分布曲线
2
1
2—超前钻孔 4—钻孔后垂直应力分布曲线
基本途径一
（4）巷道迎头超前钻孔的应力转移关键技术
采用应力转移前
采用应力转移后
基本途径一
（5） 相关的应力转移关键技术
1) 开槽孔
开槽后应力向深部转移。槽孔可在底板、两侧或全断面。
巷道周边开槽孔后的应力分布 Ⅰ－围岩应力较低区；Ⅱ－应力升高区；Ⅲ－原岩应力区
基本途径一
（5） 相关的应力转移关键技术
2）松动爆破
基本途径一
（5） 相关的应力转移关键技术
3）巷道一侧或两侧布置巷峒
基本途径二
基本途径二 （改善巷道围岩力学性能）
（3）围岩超前预注浆
基本途径二
（1）围岩松软破碎、随掘随冒时使用； （2）超前迎头钻孔注浆； （3）地应力特别大时难以注入。
基本途径二
（3）围岩超前预注浆 结合大阳煤矿3100孤岛工作面工程实例：
500 1000 1000 1000 500
800
9400
3400
2700
1 23 4
6200
10°
300 ~ 400 650 ~ 750
> 1000
极限深度以上支护简单、易维护；以下则明显困难。
岩性与矿压显现
（1）塑性区、破碎区范围显著增加； （2）两帮和顶、底角破碎区显著增大，围岩变形显 著增加；
原因：水平应力增加，两帮煤软，角部应力集中。 （3）底鼓严重； （4）持续蠕变。
3.2 深部巷道围岩控制 的基本途径
基本途径二
（2）注浆材料及性能 各材料的优缺点： 化学浆液：浆液凝结速度快、流动性好、充填饱满、凝 结破碎围岩效果好。价格较高。在困难复杂条件下使用好。 水泥浆液：价格便宜、在条件适宜时使用效果较好。但 它的含水量大，结石率低，易泌水，对于泥岩等软弱岩层有 泥化、弱化的作用，不利于岩层稳定。 高水速凝材料：价格相对较低、水灰比高、速凝且可调、 早期强度高、流动渗透性好、与泥粘结强度高、具有微膨胀 性、适用范围较广。
10°
9400
20°
2800
2800
3000
1 23 4 4000
超前预注浆孔布置
（3）围岩超前预注浆 围岩控制效果：
基本途径二
（4）围岩滞后注浆
基本途径二
岩石变形与渗透关系曲线
滞后时间：围岩裂隙发展变慢前后或进入掘后稳定期不久 注浆孔深度：超过破碎区，一般2m左右。 注浆压力：不超过岩石单轴抗压强度的1／3，最高不超过3MPa。
基本途径二
2.3.1 围岩注浆加固 （2）注浆材料及性能
注浆材料主要有两大类：以水泥为主的水泥浆液和以 各种化学材料为主的化学浆液：
水泥浆液主要有：单液水泥浆、水泥－水玻璃双液浆、 ZKD高水速凝材料等。
化学浆液主要有：丙烯酰胺、聚氨酯、环氧树脂、丙 烯酸盐等。 注浆材料选择遵守两大基本原则：技术可靠性和经济 合理性。
（2）二煤具有强烈冲击倾向，上行开采完全消除了冲击危险。 （3）解决了原来二煤工作面推进慢，制约四煤开采的被动局面，缓解 了采掘接续，大幅度提高了矿区煤炭产量与经济效益，矿井利税取得历史 最好水平。
基本途径一
（3）底板松动爆破的应力转移关键技术
在巷道底板中布置钻孔，并进行药壶爆破，在巷道底 板中产生围岩弱化区，将集中应力转移到围岩较深部。
工业性试验方案
基本途径一
（2）上行开采的应力转移关键技术
基本原理：下部煤层先行开采后，上部煤层因处于裂隙 带或缓沉带内，上部煤层的应力发生了转移，此区域的 应力显著降低。将上部煤层的巷道和工作面布置在下部 煤层该区域以内，巷道和工作面处于应力已经转移的低 应力区，可以显著降低支护难度，有效提高矿井的生产 安全水平。
基本途径一
基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
随着巷道周边围岩应力增加，巷道表面位移及塑 性区范围显著增大，降低巷道围岩应力对保持巷道 围岩稳定具有重要作用。
改善巷道围岩应力状态的主要技术途径包括：合 理布置巷道、巷道围岩应力转移。
基本途径一
2.2.1 合理布置巷道 时间、空间上减少巷道承受支承压力影响；巷道布置在应力 降低区；合理设计煤柱尺寸；考虑最大水平应力的影响。 （1）采动引起的应力重新分布
“深部巷道”的概念
深部巷道与深井是两个不同的概念。一般认为：矿井深
度大于800m为深井。而深部巷道是由矿井深度和岩性两个
因素决定。
矿井巷道由浅部过渡到深部的深浅部界限称为“极限深
度”。
表1-1 巷道极限深度表
围岩单轴抗压强度 / MPa < 20
20 ~ 30 30 ~ 60
> 60
巷道极限深度 / m 150
基本途径二
（4）围岩滞后注浆 结合山西晋城沁和能源集团永安煤矿工程实例 围岩控制效果：
注浆前钻孔窥视仪观测结果
注浆后钻孔窥视仪观测结果
基本途径二
2.3.2 高强、高预紧力、高延伸率锚杆（索）支护系统
锚杆作用：控制锚固区内的岩层离层。 锚索作用：控制锚固区外的岩层离层。
围岩强度强化作用 锚固体C、φ、C*、 φ * 随锚杆支护强度σt的增加而提高。
图2-3 煤体与采空区交界处底板 垂直应力等值线分布
图2-4 煤柱下方底板垂直应力 等值线分布
基本途径一
（2）巷道布置的原则：
1）空间上尽量避免支承压力的强烈影响、叠加影响和多次 影响；时间上尽量缩短支承压力影响时间。
2）巷道布置在应力降低区或原岩应力区。 3）采用无煤柱开采，必须留煤柱时在保证煤柱稳定的条件 尽可能小。 4）如果需要留煤巷保护巷道，所留护巷煤柱尺寸应使巷道 不受支承压力影响或影响较小。 5）避免在煤柱上、下方布置巷道。合理选择底板岩巷与煤 柱边缘的水平距离x、与煤层垂直距离Z。 6）在围岩受采动影响稳定后再掘巷道。 7）巷道轴线方向尽量与最大水平主应力方向平行，避免与 之垂直。
井巷工程
第3讲：深部巷道围岩控制
提纲
3.1 概述 3.2 深部巷道围岩控制的基本途径 3.3 深部巷道围岩控制的突出难点 3.4 控制技术汇总
3.1 概述
提纲
3.1.1 背景和意义 3.1.2 “深部巷道”的概念 3.1.3 岩性与矿压显现
背景和意义
深部软岩成为重点
随着矿井开采深度、强度的增加， 岩体应力急剧增加，地 温升高，当岩体应力达到甚至超过岩石抗压强度时，有关 岩体力学科学与工程的若干问题由量变逐渐发生质的变化， 造成资源开采的极端困难，并引发矿井重大安全事故危险 性增加，严重威胁矿井的安全生产。巷道维护困难已成为 制约煤矿安全高效开采的瓶颈，巷道围岩控制是煤矿开采 中急待解决的关键问题之一。
0.14 0.0186
0.17 0.0194
0.22 0.021
等效内摩擦角 31.51 31.53 33.51 35.57 37.14 38.8 40.4 */ °
基本途径二
2.3.2 高强、高预紧力、高延伸率锚杆（索）支护系统 围岩强度强化作用
锚固体强度随锚杆支 护强度σt 的提高而得到 强化，达到一定程度就 可保持围岩稳定。
基本途径一
（2）上行开采的应力转移关键技术 孙村煤矿工程实例
现场应用情况 （1）在下行开采时，二煤工作面由于顶板压力大，煤壁片帮与机道冒
漏顶现象十分严重，需要水力膨胀锚杆超前护顶、坑木穿顶，顶板管理极 其困难，推进速度很慢。四煤采用上行开采后，二煤回采工作面复合顶板 稳定，工作面无冒漏顶事故发生，平均原煤单产与推进速度提高到1.88倍， 平均推进速度由48m/月提高到90m/月左右，原煤平均单产由1.8～2.0万吨/ 月提高到4.2万吨/月左右，显著提高了工作面单产、降低了材料消耗。
巷道围岩塑性区范围和周边位移随着围岩力学性 能劣化而显著增大。
两种方法：注浆加固；高强、高预紧力、高延 伸率锚杆支护系统。
基本途径二
2.3.1 围岩注浆加固 （1）注浆加固稳定围岩机理
提高围岩裂隙面的变形刚度和抗剪强度 浆液固结体的网络骨架作用 转变围岩破坏机制 减小巷道围岩破裂区 封闭水源 提高锚杆锚固力
2.2.2 巷道围岩应力转移
基本途径一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
巷道底板掘巷的应力转移关键技术 煤层上行开采的应力转移关键技术 底板松动爆破的应力转移关键技术 巷道迎头超前钻孔的应力转移关键技术 相关的应力转移技术
基本途径一
（1）巷道底板掘巷的应力转移关键技术 水平应力的转移效果
受采动影响期间，不采用应力转移技术时，底板最大水平应 力为48 MPa。
图2-1 已采区及其两侧煤柱的应力分布 Ⅰ－－冒落带；Ⅱ－裂隙带；Ⅲ－变曲下图4-1 已采区及其两 侧煤柱沉带；A－原始应力区；B1、B2－应力增高区；C－应力
降低区；D－应力稳定区
2.2.1 合理布置巷道
基本途径一
图2-2 留区段煤柱时回采空间垂直应力等值线分布
2.2.1 合理布置巷道
基本途径一
基本途径一
（2）上行开采的应力转移关键技术 上行开采理论计算模型：下部煤层可设定为带状无限长 板，通过复变函数方法对弹性带状无限长板应力问题进 行求解，建立以下力学模型。
基本途径一
（2）上行开采的应力转移关键技术
采空区上方垂直应力有大幅度减少，距离采空区越近减 少幅度越大，随着远离采空区逐步增大，逐渐恢复到原岩应 力。煤柱附近垂直应力的值较大，且均为压应力；随着距离 的增加，应力逐渐减小，逐渐恢复到原岩应力。
35.57
37.14
38.8 40.4
基本途径二
2.3.2 高强、高预紧力、高延伸率锚杆（索）支护系统 围岩强度强化作用
表2-2 不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C*、φ* 值
锚杆支护强度 σt / MPa
等效内聚力 C* / MPa
0 0.0168
0.06 0.0182
0.08 0.0183
0.11 0.0184
采用转移技术后，主硐室底板的水平应力减小为15 MPa左右。
基本途径一
垂直位移的控制效果
硐室受采动影响期间，如不采用底板掘巷应力转移技术， 主要硐室周边的垂直应力最大为40 MPa左右。
采用应力转移技术后，主要硐室周边的垂直应力降低为7.5 MPa左右。效果十分明显。
基本途径一
（1）巷道底板掘巷的应力转移关键技术 蒋庄煤矿工程实例
花岗岩
300
250
200
150
100
50 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45
支护强度pi/MPa
巷道周边弹塑性位移u0/mm
煤
砂页岩
砂岩
页岩
石灰岩
花岗岩
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
提纲
3.2.1 途径一 （改善巷道围岩应力状态） 3.2.2 途径二（改善巷道围岩力学性能） 3.2.3 途径三（提高巷道的支护阻力） 3.2.4 途径四（优化巷道断面）
影响巷道围岩稳定性的因素
经典的Kastner巷道围岩特性曲线方程：
R
a[ (
p0
c
cot )(1
sin
)
1sin
] 2sin
基本途径一
（3）底板松动爆破的应力转移关键技术
当发生内部爆破作用时， 在围岩中形成爆破空腔、 压碎圈、裂隙圈及震动 圈。
裂隙圈的大小是影响应 力转移的关键因素。
基本途径一
（3）底板松动爆破的应力转移关键技术
平顶山六矿工程实践示意图
与原绞车房不进行任何处理时的底 鼓量相比，底鼓量明显降低，约为 不进行处理时底鼓量的1/3。
原岩应力p0/MPa
350
煤 300
影响巷道围岩稳定性的主要因素有
250
200 页岩
150
四：巷道所在位置的围岩应力（P0）、
围岩力学性能（c、φ、G）、支护阻力
100
砂岩
砂页岩 花岗岩 （Pi）和巷道断面形式与尺寸，这也是
50
石灰岩
控制巷道围岩变形的4个主要技术途径。
0
cφ
巷道周边弹塑性位移u0/MPa
pi c cot
u0
sin
2G a
( p0
c cot) R2
式中：R－塑性区半径；a－巷道半径；P0－原岩应力； Pi－支护阻力；c－岩石内聚力；φ－岩石内摩擦角； u0－巷道周边位移；G－围岩剪切模量。
影响巷道围岩稳定性的因素
巷道周边弹塑性位移uo/mm
煤 350
砂页岩
砂岩
页岩
石灰岩